RU2696592C1 - Модульный многоступенчатый преобразователь - Google Patents

Модульный многоступенчатый преобразователь Download PDF

Info

Publication number
RU2696592C1
RU2696592C1 RU2018133594A RU2018133594A RU2696592C1 RU 2696592 C1 RU2696592 C1 RU 2696592C1 RU 2018133594 A RU2018133594 A RU 2018133594A RU 2018133594 A RU2018133594 A RU 2018133594A RU 2696592 C1 RU2696592 C1 RU 2696592C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
connection
submodules
converter
submodule
branch
Prior art date
Application number
RU2018133594A
Other languages
English (en)
Inventor
Мануэль БЛУМ
Марек ГАЛЕК
Александер ХОФМАНН
Дирк МАЛИПААРД
Беньямин РУКСИУС
Original Assignee
Сименс Акциенгезелльшафт
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Сименс Акциенгезелльшафт filed Critical Сименс Акциенгезелльшафт
Application granted granted Critical
Publication of RU2696592C1 publication Critical patent/RU2696592C1/ru

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M7/00—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output
    • H02M7/42—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal
    • H02M7/44—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters
    • H02M7/48—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M7/483—Converters with outputs that each can have more than two voltages levels
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M7/00—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output
    • H02M7/02—Conversion of ac power input into dc power output without possibility of reversal
    • H02M7/04—Conversion of ac power input into dc power output without possibility of reversal by static converters
    • H02M7/12—Conversion of ac power input into dc power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M7/21—Conversion of ac power input into dc power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal
    • H02M7/217—Conversion of ac power input into dc power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only
    • H02M7/219—Conversion of ac power input into dc power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only in a bridge configuration
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M7/00—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output
    • H02M7/42—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal
    • H02M7/44—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters
    • H02M7/48—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M7/483—Converters with outputs that each can have more than two voltages levels
    • H02M7/4835—Converters with outputs that each can have more than two voltages levels comprising two or more cells, each including a switchable capacitor, the capacitors having a nominal charge voltage which corresponds to a given fraction of the input voltage, and the capacitors being selectively connected in series to determine the instantaneous output voltage
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M7/00—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output
    • H02M7/66—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output with possibility of reversal
    • H02M7/68—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output with possibility of reversal by static converters
    • H02M7/72—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output with possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M7/75—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output with possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a thyratron or thyristor type requiring extinguishing means
    • H02M7/757—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output with possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a thyratron or thyristor type requiring extinguishing means using semiconductor devices only
    • H02M7/7575—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output with possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a thyratron or thyristor type requiring extinguishing means using semiconductor devices only for high voltage direct transmission link
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M1/00—Details of apparatus for conversion
    • H02M1/0003—Details of control, feedback or regulation circuits
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M1/00—Details of apparatus for conversion
    • H02M1/32—Means for protecting converters other than automatic disconnection
    • H02M1/325—Means for protecting converters other than automatic disconnection with means for allowing continuous operation despite a fault, i.e. fault tolerant converters
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M7/00—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output
    • H02M7/02—Conversion of ac power input into dc power output without possibility of reversal
    • H02M7/04—Conversion of ac power input into dc power output without possibility of reversal by static converters
    • H02M7/06—Conversion of ac power input into dc power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes without control electrode or semiconductor devices without control electrode
    • H02M7/10—Conversion of ac power input into dc power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes without control electrode or semiconductor devices without control electrode arranged for operation in series, e.g. for multiplication of voltage

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Inverter Devices (AREA)
  • Electric Propulsion And Braking For Vehicles (AREA)
  • Dc-Dc Converters (AREA)

Abstract

Изобретение относится к преобразовательной технике. Многоступенчатый преобразователь по меньшей мере с одной ветвью, которая подсоединена между положительной сборной шиной и отрицательной сборной шиной, причем ветвь имеет по меньшей мере два последовательно включенные плеча, причем плечи включают в себя, соответственно, последовательное соединение из множества двухполюсных подмодулей, которые имеют накопитель энергии и соединение связи с управляющим устройством многоступенчатого преобразователя, посредством которого может передаваться по меньшей мере одна информация о состоянии заряда накопителя энергии и указание переключения для переключателя подмодуля, отличающийся тем, что по меньшей мере для части подмодулей соединение связи выполнено как общее соединение связи и имеет множество изоляционных участков, которые имеют изоляционную способность не более 5 кВ. Технический результат - экономия конструктивного пространства и упрощение конструкции. 12 з.п. ф-лы, 5 ил.

Description

Изобретение относится к модульному многоступенчатому преобразователю с последовательным соединением нескольких модулей.
Модульный многоступенчатый преобразователь, также известный как модульный многоуровневый преобразователь, или MMC или M2C (англ. ʺmodular multilevel converterʺ), представляет собой преобразователь для преобразования напряжения в другое напряжение. Модульный многоступенчатый преобразователь может преобразовывать, например, постоянное напряжение в переменное напряжение, т.е. он применяется как инвертор (преобразователь постоянного тока в переменный). Кроме того, модульный многоступенчатый преобразователь может, например, преобразовывать переменное напряжение в постоянное напряжение, т.е. он применяется как выпрямитель. Кроме того, модульный многоступенчатый преобразователь может преобразовывать переменное напряжение в переменное напряжение, отличающееся по частоте и амплитуде, не вырабатывая сначала постоянное напряжение, т.е. он применяется как прямой преобразователь.
Модульные многоступенчатые преобразователи преимущественно используются в высокоэнергетической области. Одной из возможных областей применения модульного многоступенчатого преобразователя в качестве инвертора является фотоэлектрическая электростанция, в которой постоянное напряжение, генерируемое электростанцией, должно быть преобразовано в переменное напряжение, чтобы подавать последнее в сеть переменного тока.
Модульный многоступенчатый преобразователь в качестве выпрямителя необходим, например, для высоковольтной передачи постоянного тока (
Figure 00000001
или англ. HVDC). В этом случае из переменного напряжения генерируется постоянное напряжение, которое используется для транспортировки с низкими потерями на большие расстояния передачи. После передачи, постоянное напряжение вновь преобразуется в переменное напряжение с помощью модульного многоступенчатого преобразователя в качестве инвертора, чтобы подавать его в сеть переменного тока.
В своей конструкции, модульный многоступенчатый преобразователь содержит по меньшей мере одну последовательную цепь с несколькими модулями, соединенными последовательно. В ЕР 2677653 A1 раскрыт модульный многоступенчатый преобразователь, который в этом случае содержит три последовательные цепи с 2N модулями. Каждая из последовательных цепей разделена на две ветви линией переменного тока. Каждая ветвь, в свою очередь, через дроссельный элемент соединена с линией переменного напряжения. Кроме того, каждый модуль имеет накопитель энергии и переключающее устройство. Соответствующий накопитель энергии сконфигурирован для хранения электрической энергии. В каждом модуле накопитель энергии может по меньшей мере частично заряжаться электрической энергией. С помощью переключающего устройства можно управлять тем, должен ли накопитель энергии соответствующего модуля заряжаться или разряжаться, или накопитель энергии должен шунтироваться.
Из DE 102011017597 A1 известно устройство накопителя энергии, содержащее несколько модулей накопителя для электрической энергии, которые связаны, соответственно, с конденсаторным блоком относящегося к преобразователю подмодуля преобразователя для зарядки или разрядки по меньшей мере одного модуля накопителя через по меньшей мере один управляемый задатчик постоянного напряжения. Задатчик постоянного напряжения выполнен с возможностью преобразования конденсаторного напряжения, приложенного к конденсаторному блоку, в напряжение зарядки, которое требуется для зарядки модуля накопителя, и преобразования напряжения разрядки, падающего при разрядке на модуле накопителя, в конденсаторное напряжение.
Переключающие устройства модулей управляются управляющим устройством для многоступенчатого преобразователя. Для этой цели и для обратного ввода измеренных значений для зарядки соответствующего накопителя энергии необходимы двунаправленные соединения связи между модулями и управляющим устройством. Они обычно реализуются в диапазоне среднего и высокого напряжения в виде двухточечных световодных соединений. Однако они являются дорогостоящими, в частности, из-за необходимого количества соединений между управляющим устройством и каждым из модулей. В качестве альтернативы, известны электрические шинные соединения. В них необходимо обеспечить соответствующую электрическую изоляцию (развязку) между шиной и индивидуальными модулями, что также является трудоемким и дорогостоящим.
Задачей настоящего изобретения является создание высокопроизводительного и экономичного модульного многоступенчатого преобразователя с улучшенной архитектурой для соединений связи.
Эта задача решается посредством многоступенчатого преобразователя с признаками пункта 1 формулы изобретения.
Соответствующий изобретению многоступенчатый преобразователь содержит по меньшей мере одну ветвь, подсоединенную между положительной сборной шиной и отрицательной сборной шиной, причем ветвь имеет по меньшей мере два последовательно соединенных плеча, причем каждое из плеч содержит последовательное соединение множества двухполюсных подмодулей. Подмодули содержат, соответственно, накопитель энергии и соединение связи с управляющим устройством многоступенчатого преобразователя, причем по меньшей мере одна информация о состоянии заряда накопителя энергии и указание переключения для переключателя подмодуля может передаваться посредством соединения связи.
Многоступенчатый преобразователь отличается тем, что по меньшей мере для части подмодулей, соединение связи выполнено как общее соединение связи и имеет множество изоляционных участков, которые имеют изоляционную способность не более 5 кВ.
Другими словами, многоступенчатый преобразователь содержит, по меньшей мере для части своих модулей, общее соединение связи, которое разделено изоляционными участками на электрически изолированные частичные области (секции).
За счет соответствующего изобретению выполнения достигается то, что трудоемкие и дорогостоящие двухточечные соединения между управляющим устройством и модулями могут отсутствовать и могут быть заменены общим соединением связи. При этом выполнение разделения на частичные области обеспечивает то, что падение напряжения на изоляционных участках составляет не более 5 кВ. В результате подходящие низкоизолирующие и упрощенные элементы могут преимущественно применяться в качестве изоляционных участков, максимальная изоляционная способность которых намного ниже рабочих напряжений, которые часто возникают при применении преобразователей MMC/M2C. Изоляционные участки предпочтительно включают в себя трансформаторы, но в качестве альтернативы могут использоваться конденсаторы или емкостные или индуктивные ответвители (элементы связи). Особенно для систем с низкой и средней мощностью, в которых система управления составляет большую часть общих затрат, это приводит к значительному сокращению затрат на строительство и экономии конструктивного пространства.
Предпочтительные варианты осуществления соответствующего изобретению устройства следуют из зависимых пунктов формулы изобретения. При этом форма выполнения по пункту 1 формулы изобретения может комбинироваться с признаками одного из зависимых пунктов формулы изобретения или предпочтительно также с признаками нескольких зависимых пунктов. Соответственно, для преобразователя тока дополнительно могут быть предусмотрены следующие признаки:
- Разделение общего соединения связи на частичные области может быть выполнено таким образом, что падение напряжения по меньшей мере на части изоляционных участков между двумя частичными областями составляет, соответственно, не более 3,3 кВ, 2 кВ. В других вариантах осуществления, в качестве верхнего предела для падения напряжения могут быть реализованы 1,2 кВ, 1 кВ или даже 600 В. Разделение при этом целесообразно регулировать по количеству применяемых изоляционных участков. В частности, это по меньшей мере 10 или, в другом варианте осуществления, по меньшей мере 20 изоляционных участков, причем количества относятся к плечу или ветви многоступенчатого преобразователя.
- Общее соединение связи предпочтительно реализуется отдельно по меньшей мере для одного плеча ветви, в частности для всех плеч многоступенчатого преобразователя, или для одной или нескольких или всех ветвей многоступенчатого преобразователя. В этом случае соединения связи всех подмодулей плеча или ветви предпочтительно выполнены как общее соединение связи.
- Для каждого из плеч может быть предусмотрено общее соединение связи. В качестве альтернативы, также может иметься по одному общему соединению связи для каждой из ветвей.
- Особенно предпочтительно, если соединения связи образуют по меньшей мере одно шинное соединение, в котором сигналы каждого подмодуля могут приниматься непосредственно управляющим устройством и наоборот. Другими словами, не применяется никакое двухточечное соединение. За счет этого особым образом достигается экономия конструктивного пространства и сложности конструкции, поскольку в многоступенчатых преобразователях с большим количеством подмодулей экономится большое количество оптических или электрических кабелей.
- Альтернативно, общее соединение связи может быть построено как соединения от одного подмодуля к следующему подмодулю. Другими словами, управляющее устройство для многоступенчатого преобразователя, таким образом, соединено с первым из подмодулей, а этот, в свою очередь, со вторым подмодулем и т.д. Однако нет прямого сквозного соединения отдельных частичных областей общего соединения связи. Для связи подмодуля с управляющим устройством и наоборот, пакеты данных в этом варианте осуществления должны поэтому пересылаться от подмодуля к подмодулю. В этом варианте осуществления, следовательно, также не используется звездообразное соединение с теми же преимуществами, что и в случае шинного соединения.
- Число изоляционных участков может составлять по меньшей мере половину количества подмодулей, в частности, по меньшей мере 90% от количества подмодулей. Соответственно, это по меньшей мере 10, в частности, по меньшей мере 20 изоляционных участков. Предпочтительно, общее соединение связи между местами подключения соответствующих двух смежных в последовательном соединении плеча подмодулей имеет по одному из изоляционных участков, так что количество изоляционных участков, по существу, соответствует количеству подмодулей.
- Последовательность подключения подмодулей к общему соединению связи рациональным образом соответствует последовательности расположения подмодулей в соответствующем плече многоступенчатого преобразователя. В результате, падение напряжения между местами подключения подмодулей к соединению связи ограничено той разностью напряжений, которую подмодули могут обеспечивать через их накопитель энергии.
- Общее соединение связи может быть сформировано кольцеобразно с двумя параллельно включенными линиями (жгутами), которые соединены друг с другом в месте подключения первого подмодуля и в месте подключения второго подмодуля. Кольцевая конфигурация возможна как при шинном соединении, так и в жгуто-подобном соединении. В обоих случаях кольцевая конструкция повышает защищенность от отказов, поскольку обеспечивает избыточность при связи с подмодулями.
- Возможно, что только первый из жгутов имеет прямые соединения с подмодулями, а второй жгут соединен с первым жгутом только в двух упомянутых местах подключения и, таким образом, косвенно соединен с подмодулями. Это выгодным образом обеспечивает избыточность связи, в то же время при очень простой конструкции, поскольку во втором жгуте не требуется множество мест подключения к подмодулям.
- Альтернативно, оба жгута также могут иметь прямые соединения с подмодулями. В результате защищенность от отказов соединения связи еще больше повышается, поскольку даже при отказе нескольких секций в каждом из жгутов, при обстоятельствах, все еще могут управляться все подмодули.
- В обоих случаях, т.е. когда оба жгута имеют прямые соединения с подмодулями или когда только один из жгутов имеет прямые соединения с подмодулями, предпочтительно использовать по существу одинаковое количество изоляционных отрезков в обоих параллельных жгутах кольцевой шины. В результате в обоих жгутах обеспечивается необходимая изоляционная способность.
- Если один из жгутов не имеет прямых соединений с подмодулями, изоляционная способность между местами соединения может альтернативно обеспечиваться в этом жгуте одним или несколькими изоляционными участками с более высокой изоляционной способностью, чтобы сэкономить конструктивное пространство.
- Подмодули первого плеча первой ветви могут быть соединены с первым из жгутов, и подмодули первого плеча второй ветви - со вторым из жгутов. В результате создается кольцевое соединение связи, в котором совместно управляются подмодули двух ветвей, то есть, например, двух фаз. Подмодули, расположенные близко к шинам постоянного напряжения, то есть, в частности, первый и последний модуль каждой ветви, имеют лежащие ближе всего друг к другу уровни напряжения по ветвям, тогда как модули, расположенные по центру в ветви, при применении в качестве инвертора, имеют сильно меняющиеся и разнящиеся уровни напряжения. Следовательно, поперечное соединение для соединения связи между ветвями предпочтительно выполняется в области первого и/или последнего модуля каждой связанной ветви. Тем самым можно осуществить поперечное соединение без необходимости применения высокоизолирующего изоляционного участка. Поперечное соединение может быть выполнено либо напрямую, т.е. без изоляции, либо с использованием одной или нескольких изоляционных участков с максимальной изоляционной способностью 3,3 кВ или 2 кВ.
- Подключение управляющего устройства к соединению связи предпочтительно выполняется в частичной области соединения связи, уровень напряжения которого близок к уровню напряжения в управляющем устройстве. В качестве альтернативы или дополнительно, управляющее устройство может быть подключено к соединению связи посредством высокоизолирующего изоляционного участка.
Другие предпочтительные варианты осуществления многоуровневого преобразователя следуют из не раскрытых выше зависимых пунктов. Изобретение будет объяснено ниже со ссылкой на предпочтительные примеры выполнения со ссылками на чертежи, на которых в схематичной форме показано следующее:
Фиг. 1 - фрагмент первого многоступенчатого преобразователя с шиной связи для одной ветви;
Фиг. 2 - фрагмент второго многоступенчатого преобразователя с кольцевой шиной для одного плеча одной ветви;
Фиг. 3 - фрагмент третьего многоступенчатого преобразователя с кольцевой шиной для двух ветвей;
Фиг. 4 - вариант осуществления применяемых сообщений связи;
Фиг. 5 - другой вариант осуществления применяемых сообщений связи.
На фиг. 1 показана первая примерная структура соединений связи для первого примерного многоступенчатого преобразователя 10. При этом первый многоступенчатый преобразователь 10 показан только фрагментарно. Первый многоступенчатый преобразователь 10 выполнен с возможностью преобразования постоянного напряжения, приложенного между положительной шиной 131 постоянного напряжения и отрицательной шиной 132 постоянного напряжения, в трехфазное переменное напряжение. Для этой цели первый многоступенчатый преобразователь 10 имеет ветвь 11 для каждой из трех фаз, но для большей наглядности показана только первая ветвь 11. Ветвь имеет два соединенные последовательно плеча, причем каждое из плеч, в свою очередь, содержит несколько модулей, соединенных последовательно. Первая ветвь 11 первого многоступенчатого преобразователя имеет четыре модуля 110…113 в верхнем плече. Это число модулей является лишь примером. Многоступенчатые преобразователи также могут иметь 30, 50 или 100 модулей на каждое плечо или на каждую ветвь. Нижнее плечо первой ветви 13 также имеет четыре модуля 114…117.
В примере согласно фиг. 1 управляющее устройство многоступенчатого преобразователя 10 содержит две отдельные части: первую часть 17, которая, например, содержит человеко-машинный интерфейс и другие внешние интерфейсы. Первая часть 17 находится под потенциалом земли. Через изоляционный участок 18 с высокой изоляционной способностью первая часть 17 управляющего устройства соединена со второй частью 12 управляющего устройства. Вторая часть 12 управляющего устройства сконфигурирована для выполнения управления модулями 110…117 и, таким образом, управляет собственно функционированием первого многоступенчатого преобразователя 10.
Соединение второй части 12 управляющего устройства с модулями 110…117 осуществляется через электрическую шину 15 связи. Шина 15 связи через первый изоляционный участок, например, в форме трансформатора 16 соединена со второй частью 12 управляющего устройства. Так как вторая часть 12 управляющего устройства развязана от потенциала земли за счет изоляционного участка 18 с высокой изоляционной способностью, вторая часть 12 сама может работать на уровне напряжения, который по существу соответствует уровню напряжения одного или нескольких модулей 110…117. Следовательно, трансформатор 16 может быть выполнен таким образом, что он имеет максимальную изоляционную способность, например, 3 кВ, 2,5 кВ, 2 кВ или даже 1 кВ. Другими словами, высокая изоляционная способность между второй частью 12 управляющего устройства и шиной 15 связи не требуется. Кроме того, уровень напряжения тех модулей 110…117, которые непосредственно связаны с шинами постоянного напряжения, лучше всего определяется напряжением шин постоянного напряжения, так что это позволяет соединить вторую часть 12 с этими модулями 110, 117. Через изоляционный участок 18, вторая часть 12 может соединяться и другом месте шины 15 связи, в котором присутствует переменный уровень напряжения.
Наряду с индуктивной связью через трансформатор 16, 150…156, связь частичных областей также может выполняться емкостным или оптическим способом, причем в каждом случае необходимая изоляционная способность ограничена уже упомянутыми значениями.
Отдельные модули 110…117 являются двухжильными и непосредственно, то есть без дополнительной изоляции соединены с шиной 15 связи. Между присоединениями шины 15 связи к отдельным модулям 110…117, сама шина 15 связи подразделена посредством дополнительных трансформаторов 150…156 на электрически изолированные друг от друга двухжильные участки. Изоляционная способность отдельных трансформаторов 150…156 находится в диапазоне максимального напряжения, которое генерирует один из модулей 110…117. Эта изоляционная способность достаточна, так как разделение шины 15 связи на участки и их присоединение к модулям 110…117 следует расположению самих модулей 110…117, и, следовательно, разность напряжений между участками соответствует отдельному модульному напряжению, т.е. формируемой модулем 110…117 разности напряжений. Так, например, могут применяться трансформаторы 150…156 с максимальной изоляционной способностью 2 кВ, хотя многоступенчатый преобразователь 10 рассчитан на гораздо более высокое рабочее напряжение.
В настоящем примере, как показано на фиг. 1, в шине 15 связи для каждого из модулей 110…117 существует отдельный участок, изолированный от остальной шины 15 связи. В альтернативных вариантах осуществления, число изоляционных участков, то есть трансформатором 150…156, также может быть уменьшено по сравнению с количеством модулей 110…117, так что, например, на каждые два модуля 110…117 приходится совместно используемый участок шины 15 связи. В таком варианте осуществления необходимо обеспечить, чтобы трансформаторы могли изолировать двойное модульное напряжение.
По сравнению с двухточечным подсоединением модулей 110…117, например, оптическим способом, вместо восьми высокоизолирующих оптических соединений, которые являются трудоемкими, технически невыгодными с точки зрения занимаемого пространства при большом количестве модулей и дорогостоящими, предпочтительным образом применяется только одно высокоизолирующее соединение и, в приведенном примере, восемь простых трансформаторов 16, 150…156 с изоляционной способностью, например, 2 кВ.
Даже если используется сквозное шинное соединение, известное из уровня техники, его уровень напряжения заметно удален от уровня большинства модулей 110…117, и требуются высокоизолирующие соединения с соответствующим модулем, то есть в настоящем примере также восемь высокоизолирующих, например оптических подключений с теми же уже упомянутыми недостатками, которые преодолеваются изобретением.
На фиг. 2 в качестве второго примера выполнения показан фрагмент второго многоступенчатого преобразователя 20, который выполнен аналогично первому многоступенчатому преобразователю 10 в отношении модулей и соединений. Однако управляющее устройство модулей в этом примере выполнения реализовано иначе, чем в первом варианте осуществления, показанном на фиг. 1.
Управляющее устройство во втором варианте осуществления, в комплекте с первой и второй частями 17, 12 находится под потенциалом земли. Таким образом, соединение между второй частью 12 и шиной 15 связи выполняется во втором примере выполнения через изоляционный участок 18 с высокой изоляционной способностью, например, высокоизолирующее оптическое соединение.
Сама шина 15 связи разделена во втором примере выполнения на два параллельных жгута 21, 22, которые образуют кольцевую шину. Во втором примере выполнения шина 15 связи, в отличие от первого примера выполнения, выполнена только для модулей 110…113 одного плеча ветви, в то время как для других модулей другого плеча ветви 11 и других ветвей выполнены дополнительные, отдельные друг от друга шины связи. За счет разделения на несколько шин связи повышается частота управления отдельными модулями 110…113, тем самым улучшая работу многоступенчатого преобразователя 20.
Первый из двух жгутов 21 реализован во втором примере выполнения аналогично шине 15 связи из первого примера выполнения. Модули 150…153 непосредственно соединены с соответствующим участком первого жгута 21. Между местами присоединения модулей 150…153 расположен, соответственно, изоляционный участок в форме трансформатора 150… 152, который разделяет первый жгут 21 на изолированные частичные области.
Однако в отличие от шины 15 связи из первого примера выполнения, предусмотрен второй жгут 22, выполненный как расположенное параллельно первому жгуту 21 соединение точек соединения первого модуля 110 и третьего модуля 113. Второй жгут 22, аналогично первому жгуту 21 также с помощью трех трансформаторов 210…212 разделен аналогичным образом на частичные области, посредством чего создается в общем такая же изоляционная способность между обоими местами присоединения второго жгута 22.
В отличие от первого жгута 21, никакие модули не соединены со вторым жгутом 22. Поэтому также возможно, в качестве альтернативы трансформаторам 210…212, изоляционную способность второго жгута 22 создать за счет другого высокоизолирующего изоляционного участка, в котором подразделение на частичные области опущено.
В целом, подсоединение модулей с избыточностью достигается за счет обоих жгутов 21, 22. В результате, защищенность от отказов многоточечного преобразователя 20 предпочтительным образом повышается.
На фиг. 3 в качестве третьего примера выполнения представлен фрагмент третьего многоступенчатого преобразователя 30, который сконструирован аналогично первому и второму многоступенчатым преобразователям 10, 20 относительно модулей и подключений. Однако в третьем примере выполнения управляющее устройство модулей вновь выполнено иначе, чем в первом примере выполнения согласно фиг. 1. Как уже указывалось, количество модулей на каждую ветвь, равное восьми, является только примером, и реальные инверторы могут содержать значительно больше модулей на каждую ветвь.
Управляющее устройство в третьем примере выполнения, как во втором примере выполнения, в комплекте с первой и второй частями 17, 12 находится под потенциалом земли. Таким образом, соединение между второй частью 12 и шиной 15 связи осуществляется во втором примере выполнения через изоляционный участок 18 с высокой изоляционной способностью, например высокоизолирующее оптическое соединение.
Подобно второму примеру выполнения, шина 15 связи в третьем примере выполнения включает в себя первый и второй жгуты 32, 33, соединенные параллельно друг с другом. Однако, в отличие от второго примера выполнения, второй жгут 33 присутствует не в качестве простой избыточности, но служит для управления модулями 210…217. Первый и второй жгуты 32, 33, аналогично предыдущим примерам выполнения, подразделены на частичную область изоляционными участками в форме трансформаторов 150…156, 330…336. В отличие от предыдущих примеров выполнения, каждый из модулей 110…117, 210…217 также имеет изоляционный участок в форме трансформатора 1101…2171. Это является опциональным, но позволяет выгодным образом упростить выполнение электроники модуля.
Шина 15 связи имеет два поперечных соединения между жгутами 32, 33, через которые жгуты 32, 33 замкнуты в кольцо. Для того чтобы сильная изоляция не требовалась в этих поперечных соединениях, это поперечное соединение расположено там, где уровни напряжения модулей между обеими ветвями остаются одинаковыми во время работы. Это имеет место для модулей, близких к шинам постоянного напряжения, поэтому поперечное соединение расположено у первых обоих модулей 110, 210 ветвей 11, 31 и у последних обоих модулей 117, 217 ветвей 11, 31.
В трех примерах выполнения показаны различные комбинации элементов, такие как присоединение модулей через их собственный изоляционный участок, общую шину связи по нескольким ветвям, собственные шины для каждого плеча и кольцевые шины. Примеры выполнения никоим образом не являются обязательными комбинациями элементов, но элементы также могут быть объединены в комбинации иной, чем указано в примерах выполнения. Вариант выполнения, не показанный в примерах выполнения, состоит в том, что в случае кольцевой шины часть модулей или каждый из модулей соединяется с обоими жгутами кольцевой шины, благодаря чему защищенность от отказов кольцевой шины еще больше повышается.
На фиг. 4 и 5 показаны возможности, каким образом пакеты данных или сообщения (телеграммы) связи могут формироваться и использоваться в многоступенчатом преобразователе в соответствии с изобретением. Если используется шина связи, которая обеспечивает прямую связь от каждого из подмодулей к управляющему устройству, форма пакетов данных согласно фиг. 4 и 5 не требуется. Однако если общее соединение связи в форме жгута выполняется как соединение от подмодуля к подмодулю, упомянутая форма пакетов данных является предпочтительной.
Управляющие команды управляющего устройства формируются и отправляются как пакеты 41 управляющих данных. Такой пакет 41 управляющих данных содержит управляющие команды 411…415 для отдельных подмодулей. Первый подмодуль извлекает первую управляющую команду 411 из пакета 41 управляющих данных и пересылает пакет данных в следующий по порядку второй подмодуль. Это подмодуль извлекает из пакета 41 управляющих данных вторую управляющую команду 412 и так далее.
Сообщение обратной связи подмодулей осуществляется в форме пакетов 42…45 данных измерений. Они отсылаются, исходя от последнего подмодуля, на расположенный, соответственно, перед ним подмодуль. Пакет 42 данных измерений в этом примере содержит данные 424, 425 измерений из четвертого и пятого подмодулей и, возможно, другие данные измерений из других подмодулей. Четвертый подмодуль передает пакет данных на третий подмодуль. Третий подмодуль добавляет собственные данные 423 измерений в пакет 42 данных измерений. Это может происходить так, что данные 423 измерений ставятся в начале пакета 42 данных измерений или заменяется символ-заполнитель (подстановочный знак), который был отправлен вместо данных 423 измерений подмодулями, расположенными дальше назад. Затем третий подмодуль пересылает измененный теперь пакет 43 данных измерений во второй подмодуль. Этот подмодуль действует аналогичным образом.
Полный пакет 45 данных измерений с данными измерений всех подмодулей, наконец, передается от первого подмодуля, который имеет единственное прямое соединение с управляющим устройством, к управляющему устройству. Пакеты 41 управляющих данных и полные пакеты 45 данных измерений имеют аналогичную структуру.
На фиг. 5 показана форма для построения и передачи пакетов данных, которые могут использоваться в кольцеобразной структуре без прямого подключения подмодулей к управляющему устройству.
Также в этом случае управляющие команды управляющего устройства формируются и отправляются в форме пакетов 41 управляющих данных. Такой пакет 41 управляющих данных, в свою очередь, содержит управляющие команды 411…415 для отдельных подмодулей. Первый подмодуль извлекает первую управляющую команду 411 из пакета 41 управляющих данных и пересылает пакет данных в следующий по порядку второй подмодуль. Это подмодуль извлекает из пакета 41 управляющих данных вторую управляющую команду 412 и так далее.
Однако в отличие от процедуры согласно фиг. 4, первый подмодуль в этом случае заменяет первую управляющую команду 411 своими собственными данными 421 измерений, которые устанавливаются в то же положение в пакете данных и, таким образом, находятся в верхней части измененного пакета 51 данных в этом примере. Второй подмодуль получает от первого подмодуля измененный пакет 51 данных, который содержит данные 421 измерений и управляющие команды 412…415. Второй подмодуль заменяет вторую управляющую команду 412 своими собственными данными 422 измерений, которые устанавливаются в то же самое положение в пакете данных и, таким образом, непосредственно следуют за данными 421 измерений первого подмодуля в этом примере. Второй подмодуль затем пересылает дополнительно измененный пакет 52 данных в третий подмодуль, который действует аналогичным образом.
Последний подмодуль такой последовательности подмодулей непосредственно связан с управляющим устройством и передает в управляющее устройство пакет 45 данных измерений, в котором все управляющие команды 411…415 заменены данными 421…425 измерений.

Claims (13)

1. Многоступенчатый преобразователь (10, 20, 30) по меньшей мере с одной ветвью (11, 31), которая подсоединена между положительной сборной шиной (131) и отрицательной сборной шиной (132), причем ветвь (11, 31) имеет по меньшей мере два последовательно включенные плеча, причем плечи включают в себя, соответственно, последовательное соединение из множества двухполюсных подмодулей (110…117, 210…217), которые имеют накопитель энергии и соединение связи с управляющим устройством (12, 17) многоступенчатого преобразователя (10, 20, 30), посредством которого может передаваться по меньшей мере одна информация (421…425) о состоянии заряда накопителя энергии и указание переключения (411…414) для переключателя подмодуля (110…117, 210…217), отличающийся тем, что по меньшей мере для части подмодулей (110…117, 210…217) соединение связи выполнено как общее соединение связи и имеет множество изоляционных участков (150…156, 210…212, 330…336), причем изоляционные участки (150…156, 210…212, 330…336) имеют, соответственно, изоляционную способность не более 5 кВ и включают в себя трансформаторы (150…156, 210…212, 330…336), конденсаторы или емкостные, или индуктивные элементы связи.
2. Многоступенчатый преобразователь (10, 20, 30) по п. 1, в котором изоляционные участки (150…156, 210…212, 330…336) имеют, соответственно, изоляционную способность не более 3,3 кВ, 2 кВ, не более 1,5 кВ или 600 В.
3. Многоступенчатый преобразователь (10, 20, 30) по п.1 или 2, в котором соединения связи всех подмодулей (110…117, 210…217) плеча или ветви выполнены как общее соединение связи.
4. Многоступенчатый преобразователь (10, 20, 30) по одному из предыдущих пунктов, с соответствующим общим соединением связи для каждого из плеч.
5. Многоступенчатый преобразователь (10, 20, 30) по одному из пп. 1-3, с соответствующим общим соединением связи для каждой из ветвей (11, 31).
6. Многоступенчатый преобразователь (10, 20, 30) по одному из предыдущих пунктов, в котором соединения связи образуют по меньшей мере одно шинное соединение, по которому сигналы каждого подмодуля (110…117, 210…217) могут приниматься непосредственно от управляющего устройства (12, 17) и наоборот.
7. Многоступенчатый преобразователь (10, 20, 30) по одному из предыдущих пунктов, в котором общее соединение связи выполнено как соединения от одного подмодуля (110…117, 210…217) к следующему подмодулю (110…117, 210…217).
8. Многоступенчатый преобразователь (10, 20, 30) по одному из предыдущих пунктов, в котором общее соединение связи между местами подключения двух смежных в последовательном соединении плеча подмодулей (110…117, 210…217) имеет один из изоляционных участков (150…156, 210…212, 330…336).
9. Многоступенчатый преобразователь (10, 20, 30) по одному из предыдущих пунктов, в котором количество изоляционных участков составляет по меньшей мере половину количества подмодулей (110…117, 210…217), в частности, по меньшей мере 90% количества подмодулей (110…117, 210…217).
10. Многоступенчатый преобразователь (10, 20, 30) по одному из предыдущих пунктов, в котором последовательность присоединения подмодулей (110…117, 210…217) к общему соединению связи соответствует последовательности расположения в соответствующем плече многоступенчатого преобразователя (10, 20, 30).
11. Многоступенчатый преобразователь (10, 20, 30) по одному из предыдущих пунктов, в котором общее соединение связи выполнено кольцевым с двумя параллельно друг другу соединенными жгутами (32, 33), которые соединены друг с другом в месте подключения первого подмодуля (110…117, 210…217) и в месте подключения второго подмодуля (110…117, 210…217).
12. Многоступенчатый преобразователь (10, 20, 30) по п. 11, в котором оба жгута (32, 33) имеют одинаковое количество изоляционных участков (150…156, 210…212, 330…336).
13. Многоступенчатый преобразователь (10, 20, 30) по п. 11 или 12, в котором подмодули (110…117, 210…217) первого плеча первой ветви (11, 31) соединены с первым из жгутов (32, 33), и подмодули (110…117, 210…217) первого плеча второй ветви (11, 31) соединены со вторым из жгутов (32, 33).
RU2018133594A 2016-03-18 2017-02-20 Модульный многоступенчатый преобразователь RU2696592C1 (ru)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
EP16161060.5 2016-03-18
EP16161060.5A EP3220527B1 (de) 2016-03-18 2016-03-18 Modularer mehrstufenumrichter
PCT/EP2017/053762 WO2017157614A1 (de) 2016-03-18 2017-02-20 Modularer mehrstufenumrichter

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2696592C1 true RU2696592C1 (ru) 2019-08-05

Family

ID=55586207

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2018133594A RU2696592C1 (ru) 2016-03-18 2017-02-20 Модульный многоступенчатый преобразователь

Country Status (8)

Country Link
US (1) US10396685B2 (ru)
EP (1) EP3220527B1 (ru)
CN (1) CN108781040B (ru)
BR (1) BR112018068472A2 (ru)
CA (1) CA3017807C (ru)
ES (1) ES2805201T3 (ru)
RU (1) RU2696592C1 (ru)
WO (1) WO2017157614A1 (ru)

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
ES2805201T3 (es) 2016-03-18 2021-02-11 Siemens Ag Convertidor multietapa modular
DE102018213611A1 (de) * 2018-08-13 2020-02-13 Volkswagen Aktiengesellschaft Vorrichtung und Verfahren zum Ansteuern von Schaltelementen eines Stromrichters
DE102019201946A1 (de) * 2019-02-14 2020-08-20 Volkswagen Aktiengesellschaft Vorrichtung und Verfahren zum Ansteuern von Schaltelementen eines Stromrichters

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102011017597A1 (de) * 2011-04-27 2012-10-31 Siemens Aktiengesellschaft Energiespeichervorrichtung, umfassend mehrere Speichermodule für elektrische Energie
EP2677653A1 (en) * 2012-06-19 2013-12-25 Siemens Aktiengesellschaft Modular multilevel converter
US20140203645A1 (en) * 2011-05-10 2014-07-24 Siemens Aktiengesellschaft Converter assembly
RU2524363C2 (ru) * 2009-11-19 2014-07-27 Сименс Акциенгезелльшафт Статический преобразователь частоты и подмодуль статического преобразователя частоты для зарядки или разрядки накопителя энергии

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH11122240A (ja) * 1997-10-17 1999-04-30 Fuji Xerox Co Ltd 復号装置および方法ならびにアクセス資格認証装置および方法
US9774187B2 (en) * 2012-06-19 2017-09-26 Siemens Aktiengesellschaft Coupling-in and coupling-out of power in a branch of a DC voltage network node comprising a longitudinal voltage source
EP2882089B1 (en) * 2013-12-05 2020-09-09 General Electric Technology GmbH Observer based monitoring and control of submodules in modular multilevel converter
ES2805201T3 (es) 2016-03-18 2021-02-11 Siemens Ag Convertidor multietapa modular
JP6926438B2 (ja) * 2016-10-14 2021-08-25 富士電機株式会社 マルチセルコンバータ装置

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2524363C2 (ru) * 2009-11-19 2014-07-27 Сименс Акциенгезелльшафт Статический преобразователь частоты и подмодуль статического преобразователя частоты для зарядки или разрядки накопителя энергии
DE102011017597A1 (de) * 2011-04-27 2012-10-31 Siemens Aktiengesellschaft Energiespeichervorrichtung, umfassend mehrere Speichermodule für elektrische Energie
US20140203645A1 (en) * 2011-05-10 2014-07-24 Siemens Aktiengesellschaft Converter assembly
EP2677653A1 (en) * 2012-06-19 2013-12-25 Siemens Aktiengesellschaft Modular multilevel converter

Also Published As

Publication number Publication date
BR112018068472A2 (pt) 2019-01-22
US20190081573A1 (en) 2019-03-14
CN108781040A (zh) 2018-11-09
CN108781040B (zh) 2021-01-29
EP3220527B1 (de) 2020-04-29
CA3017807C (en) 2020-08-18
ES2805201T3 (es) 2021-02-11
EP3220527A1 (de) 2017-09-20
CA3017807A1 (en) 2017-09-21
WO2017157614A1 (de) 2017-09-21
US10396685B2 (en) 2019-08-27

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US10560019B2 (en) Bipolar high-voltage network and method for operating a bipolar high-voltage network
US9362848B2 (en) Hybrid AC/DC converter for HVDC applications
EP3238315B1 (en) Modular multi-level converter with thyristor valves
KR101698940B1 (ko) 전력 전자 컨버터
EP2628238B1 (en) Arrangement for transmitting power between a dc power line and an ac power line
WO2011120572A1 (en) Converter
RU2696592C1 (ru) Модульный многоступенчатый преобразователь
US10333388B2 (en) Control device and control method for large power conversion
USRE49768E1 (en) Wind power converter device and converter device
US10027239B2 (en) Wind power converter device and converter device
US20160352239A1 (en) Power electronic converter
CN105281355A (zh) 多级功率转换器
EP2747268B1 (en) Voltage source current controlled multilevel power converter
US10148164B2 (en) Topology of composite cascaded high-voltage and low-voltage modules
US10193348B2 (en) Arrangement and installation for transmitting electric power with a reserve rectifier
CN115362610A (zh) 具有多个lvdc输出的sst系统
US10027238B2 (en) Electrical assembly
US10284080B2 (en) Column-switched multi-module DC-to-DC power transformation system
JP6111031B2 (ja) 自励式電力変換装置
US11233460B2 (en) Modular matrix AC/AC multipoint converter having higher-frequency transformers
EP2980981A1 (en) Improvements in or relating to electrical assemblies for voltage source sub-modules
RU107422U1 (ru) Ячейка высоковольтного многоуровневого преобразователя частоты
JP6110535B2 (ja) 高電圧直流送電システムのデータ処理装置及び方法
EP2828967B1 (en) Power electronic converter